미래를 정의하는 말들은 많다. 그중 하나로 ‘미래는 배터리 시대’라는 말이 있다. 리튬 이온 배터리보다 용량이 큰 차세대 배터리로 ‘리튬 금속 배터리’가 꼽힌다. 문제는 안전성에 있다. 리튬 금속 반응성이 크기 때문에 내구성과 안정성이 취약했다. 국내 연구팀이 이 문제를 탄소나노튜브로 해결해 관심을 끌고 있다.

유니스트(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이상영-곽상규 교수팀은 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 제안했다. 리튬 금속은 물만 닿아도 금방 반응해 폭발할 수 있다. 안전성에 심각한 문제점이 있었는데 이를 해결하는 방법이 제시된 것이다. 기존 리튬 저장 물질보다 5배 이상 용량도 커졌다.

탄소나노튜브는 수 나노미터 지름의 속이 빈 원기둥(튜브) 모양 탄소 소재를 말한다. 상호작용 때문에 다발 구조를 이루고 있다. 소재 자체가 가진 공간에 리튬 이온을 저장할 수 있어 배터리 소재로 활용할 수 있는데 저장 효율이 낮아 쓰임이 제한적이었다.

연구팀은 탄소나노튜브 표면이 아닌 ‘각 다발이 이루는 내부 구조’에 주목했다. 연구팀은 튜브 다발의 밀도를 정밀하게 제어하면서 그 구조에 따른 현상을 관찰한 결과, ‘튜브 다발 사이에 리튬 이온이 갇히는 현상’을 입증했다. 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된 게 아니라 다발 내부 구조에 갇혀서 반응에 참여하지 못한다는 사실을 밝힌 것이다.

연구팀은 이 현상을 거꾸로 이용해 리튬 금속 배터리의 안전성을 높이는 방법을 제안했다. 리튬 이온을 탄소나노튜브 구조에 가뒀다가 리튬 금속으로 추출해 사용하는 방식이다. 이렇게 하면 리튬 금속의 산화 반응성을 줄이고, 리튬을 안정적으로 보관할 수 있다고 본 것이다. 이를 슈퍼컴퓨터를 통해 열역학적, 동역학적으로 설명했다. 실제로 탄소나노튜브에 갇힌 리튬의 산화 안정성을 실험을 통해 평가한 결과, 물속에 넣어도 격렬한 산화 반응이 일어나지 않았다.

공동 제1저자인 조석규 유니스트(UNIST) 석·박사통합과정 연구원은 “탄소나노튜브의 나노 다발 구조에 리튬을 저장할 수 있다는 걸 처음 밝힌 연구”라며 “탄소나노튜브에 갇힌 리튬이 손실 없이 리튬 금속으로 추출돼 리튬 저장 물질로 사용 가능함을 입증한 만큼 실제 응용을 위한 추가 연구에 나설 것”이라고 말했다.

이상영 교수는 “이번 연구는 안전한 리튬 금속을 연구하는 새로운 방향을 제시해 차세대 리튬 금속 배터리 상용화에 꼭 필요한 ‘고안전성 리튬 저장 기술’ 개발의 발판을 마련했다”며 “특히 대기 중에 노출하는 것은 물론 물속에서도 산화 반응이 없는 높은 수준의 안전성을 구현한 점이 주목할 부분”이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자(도약)지원사업과 미래소재 디스커버리 사업의 지원으로 진행됐다. KISTI의 슈퍼컴퓨터를 활용했다. 연구성과는 나노분야의 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 표지 논문(논문명: Antioxidative Lithium Reservoir Based on Interstitial Channels of Carbon Nanotube Bundles)으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 지난 5월 29일 온라인으로 미리 공개됐다.